Ñiaummmnnn… (Diseño y construcción de maquetas que de forma novedosa ayudan a entender el efecto Doppler)
Datos del Proyecto
Descripción de la Experiencia
1.- Introducción e Investigaciones previas
La idea de realizar este trabajo surgió de una pregunta en clase de Física: ¿por qué cuando pasa un coche con una cierta velocidad a nuestro lado se escucha un “ñiaummmnnn” característico? (que, por cierto, da título al trabajo). El profesor explicó que esto es una consecuencia de un fenómeno físico conocido como efecto Doppler. Dado que no sabíamos nada acerca de éste, lo primero que hicimos fue tratar de entender en qué consiste dicho efecto.
Inicialmente diseñamos la siguiente experiencia: hicimos dos grabaciones simultáneas del movimiento de una moto, una realizada por un observador externo y la otra efectuada por el propio piloto. Al reproducir la grabación externa, se escucha una variación evidente en el sonido al pasar la moto por delante de cámara. Sin embargo, en la grabación que hizo el piloto, el sonido es uniforme. ¿Cómo es posible que un mismo fenómeno físico (en este caso, el sonido producido por la moto al pasar) suene de forma distinta según el observador? Quizá el efecto Doppler nos dé la respuesta…
A continuación decidimos estudiar qué es el sonido. La definición que da la wiki1 es: Vibración de la materia que se transmite como ondas longitudinales. ¿Habría alguna forma de comprobar que el sonido se produce cuando hacemos vibrar al aire? Basándonos en lo que vimos en internet2, diseñamos y construimos una maqueta a la que dimos el nombre de sonovisor: consta de una lata con las bases recortadas, una de las cuales está tapada con medio globo. En el globo hay pegado un trocito de espejo sobre el que apunta una linterna láser, de manera que la luz se refleja en la pantalla. Cuando se enciende el láser, en la pantalla aparece un punto de luz; si se habla por el sonovisor con el láser encendido, se observa que el reflejo se distorsiona, describiendo inesperadas formas geométricas. Sin duda esto demuestra que cuando hablamos hacemos al aire vibrar.
Lo siguiente que hicimos fue analizar porqué unos sonidos son más agudos qué otros. Supusimos que el tono de un sonido podría depender de cómo fuera la onda asociada a éste, así que decidimos utilizar un osciloscopio, aparato que permite visualizar la onda que produce un sonido determinado. A la vista de lo que captó el osciloscopio al emitir una nota, y después, su octava alta, llegamos a la siguiente conclusión general: cuanto más agudo sea un sonido, mayor será la frecuencia de la onda que se crea.
Pues ya estábamos en disposición de entender el efecto Doppler. Supongamos que tenemos un emisor en reposo, y a cierta distancia se halla un observador. En este caso, se cumple siempre que la frecuencia que parte del emisor (fe) será igual a la frecuencia que percibe el receptor (fp). Pero, ¿qué sucede si el emisor se mueve? Éste comienza a emitir desde el mismo sitio, pero como se mueve hacia delante, la siguiente emisión se producirá más cerca del receptor, y la siguiente aún más cerca. Cuando finalmente el sonido llega hasta el observador, la frecuencia de la onda que éste percibe es sensiblemente mayor que la frecuencia de la onda que se emitió.
El descubridor de este fenómeno fue el físico austriaco Cristian Andreas Doppler, quien en 1842 estableció lo que hoy se conoce como efecto Doppler: Cuando una fuente emisora de ondas se desplaza respecto de un observador, la frecuencia de la onda que percibe el receptor siempre será distinta de la frecuencia de onda que parte del emisor.
2.- Objetivos
Estudiar el efecto Doppler aplicado al sonido desde un punto de vista teórico.
Demostrar visualmente que el efecto Doppler explica por qué un mismo sonido puede ser percibido de forma distinta por dos observadores diferentes.
Demostrar que cuanto mayor es la velocidad del emisor, más acusado es el efecto Doppler.
3.- Metodología
Una vez concluído el estudio teórico, nos hicimos la pregunta: ¿podemos poner de manifiesto el efecto Doppler en el laboratorio? Con esta intención diseñamos y construimos una maqueta a la que bautizamos con el nombre de CPG (siglas de Chicharra Politono Giratoria). Consta de una sirena colocada sobre un listón que puede girar por la acción de un motor eléctrico. Cuando se conecta la sirena y el sistema permanece en reposo, el sonido que se escucha es homogéneo. Sin embargo, cuando el listón comienza a girar, la sirena se aleja y se acerca de nosotros, de manera que debido al efecto Doppler el tono del sonido percibido va a fluctuar.
La siguiente cuestión que abordamos fue: ¿podríamos visualizar de alguna manera el efecto Doppler? La cuestión era peliaguda, ya que necesitábamos construir un sistema que emitiera ondas con una frecuencia reproducible a la par que pudiésemos variar su velocidad. Tras darle un montón de vueltas y gastar mucho papel, finalmente construimos una maqueta a la que llamamos Dopplereitor. Consta de un electroimán que funciona a impulsos, haciendo subir y bajar de manera reproducible una tira de metal. El electroimán está situado en un carril y conectado a un motor, por lo que puede desplazarse con velocidad variable mientras funciona. Toda la parte mecánica está situada sobre una especie de estanque con paredes de cristal, de manera que cuando la lámina metálica baja, toca el agua y genera una onda. Por último, alumbrando desde arriba se coloca una bombilla, lo cual permite visualizar bajo el estanque la sombra de las ondas generadas.
En una próxima entrada os contaremos los resultados obtenidos y las conclusiones finales a las que hemos llegado.
Créditos: fotografía de Biblioteca de la Facultad…
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